БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 9, с. 1148 - 1168
УДК 576.342,576.32.36,615.277
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ТРАНСПОРТА ДЛЯ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ В ЗАДАННЫЙ КОМПАРТМЕНТ КЛЕТКИ
Обзор
© 2014 А.А. Розенкранц12, А.В. Уласов13, Т.А. Сластникова1, Ю.В. Храмцов1, А.С. Соболев1,2*
1 Институт биологии гена РАН, 119334 Москва, ул. Вавилова, 34/5;
факс: (499)135-4105, электронная почта: sobolev@igb.ac.ru
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119234 Москва; факс: (495)939-4309,
электронная почта: sobolev@igb.ac.ru 3 ООО «Транслек», ул. Вавилова, 34/5, 119334 Москва; электронная почта: translek@genebiology.ru
Поступила в редакцию 15.06.14
Адресная доставка лекарств в наиболее чувствительный к действию соответствующего лекарства компарт-мент клетки представляет собой важную задачу, успешное решение которой позволяет значительно повысить эффективность и снизить побочные эффекты доставляемых терапевтических агентов. Для этой цели могут быть использованы естественные механизмы специфического поглощения макромолекул клетками при помощи рецептор-опосредуемого эндоцитоза и транспорта между клеточными компартментами. Объединение в транспортной конструкции компонентов, обеспечивающих разные этапы внутриклеточного транспорта, позволяет конструировать многофункциональные модульные конструкции, способные доставлять необходимое терапевтическое средство в заданный компартмент клетки заданного типа. В обзоре рассматриваются особенности внутриклеточного транспорта и пути создания таких транспортных конструкций для получения новых более эффективных и безопасных способов лечения различных заболеваний.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: адресная доставка лекарств, внутриклеточный транспорт, рецептор-опосредованный эндоцитоз, транспорт макромолекул, импорт в ядро, модульные транспортеры, терапия рака.
Направленная доставка лекарственных агентов находится на острие интересов современной биомедицины, фармацевтики, наномедицины: достаточно указать, что Web of Science реферирует пять журналов, в название которых входит словосочетание «Drug Delivery» — доставка лекарств, а Google Академия — более дюжины журналов с такими названиями. Разработка систем доставки лекарств — одно из основных нап-
Принятые сокращения: АФК — активные формы кислорода; МНТ — модульные нанотранспортеры; ПА-МАМ — полиамидоамин; ПЭИ — полиэтиленимин; СЯЛ — сигнал ядерной локализации; СЯЭ — сигнал ядерного экспорта; ФС — фотосенсибилизатор; CPP (Cell Pentration Peptides) — пептиды, проникающие в клетку; HMP — ге-моглобиноподобный белок E. coli; ТАТ — фрагмент трансактиватора транскрипции.
* Адресат для корреспонденции.
равлений инновационной деятельности крупнейших фармакологических фирм мира. В последнее десятилетие особое внимание уделяется доставке лекарственного вещества не просто в клетку-мишень, но и в ее заданный компартмент (о лекарствах, требующих именно такого подхода, см. ниже). Если лекарственное вещество не имеет специфичности по отношению к нужному внутриклеточному компартменту, то для того чтобы в него попасть, оно должно либо 1) обладать высокой стабильностью, дабы за счет случайных процессов перемещения все-таки оказаться в нужном компартменте в недеградированном виде, либо 2) ему нужно придать специальные свойства, позволяющие этого компартмента направленно достичь. Второй вариант становится еще более значимым, если это лекарственное вещество имеет повышенное сродство к нецелевому компартменту [1].
Попытки решить эти задачи шли и идут по обоим направлениям. При движении по первому направлению были получены вещества, способные попадать, например, в закисляемые эн-доцитозные компартменты в силу их физико-химических свойств; однако того же результата можно достичь, идя и по второму пути: за счет использования рецептор-опосредуемого эндо-цитоза [2, 3]. В настоящем обзоре внимание будет сосредоточено именно на втором направлении исследований и разработок, использующем естественные пути внутриклеточного транспорта для направленной доставки лекарств. При этом легче решается задача объединения у лекарства или системы его доставки двух таких, на первый взгляд, трудно соединимых комплексов свойств: обеспечения специфичного «узнавания» клеток-мишеней (что реально осуществлять, базируясь на особенностях молекул клеточной поверхности) и наибольшей эффективности (что для большого круга лекарств осуществимо лишь при проникновении в клетку и ее определенный компартмент) [4].
КРУГ ЛЕКАРСТВ, НУЖДАЮЩИХСЯ
ВО ВНУТРИКЛЕТОЧНОЙ АДРЕСНОЙ ДОСТАВКЕ
Несмотря на значительные успехи в развитии и создании новых терапевтических подходов, эффективных методов лечения для многих социально-значимых заболеваний все еще не разработано. Во многом этот парадокс объясняется ограничениями традиционных способов лечения, при которых низкие дозы лечебного воздействия не всегда эффективны, а высокие дозы часто ведут к серьезным токсическим проявлениям. В то же время, нарастающий объем данных по генам, сигнальным каскадам и регу-ляторным белкам, вовлеченным в патогенез различных заболеваний, открывает новые потенциальные мишени для терапии. Все это создает возможности для разработки широкого класса адресных или таргетных препаратов, нацеленных на определенный тип клеток-мишеней и, в идеале, на заданный компартмент в них. Подобная адресная доставка лекарств способна не только придать специфичность лекарству, но и значительно усилить его эффективность за счет доставки в компартмент клетки, где его активность будет максимальной.
Имеющиеся в настоящее время лекарственные средства по способам распределения/распространения по организму можно грубо разделить на две большие группы. К первой относятся, как правило, низкомолекулярные вещества,
распределяющиеся пассивно по органам, тканям, клеткам и внутриклеточному пространству за счет процессов диффузии и конвекции. Их действие оказывается эффективным при достаточном насыщении организма лекарством до такой степени, что его концентрация в месте действия (как правило, в клетке) оказывается достаточной для влияния на некий биохимический или регуляторный процесс. Ко второй группе относятся вещества (как правило, высокомолекулярные либо обладающие зарядом, препятствующим его транспорту через мембраны), которые в силу своей природы не способны к пассивной диффузии в клетки и оказывают свое действие, например, путем взаимодействия с неким рецептором на поверхности клеток-мишеней. Это взаимодействие активирует или, наоборот, блокирует определенный круг биохимических и регуляторных реакций либо напрямую, либо при использовании лиганда к выбранному рецептору в более сложной системе доставки после интернализации и высвобождения активного низкомолекулярного компонента.
Оба этих подхода оставляют без прямого воздействия большое количество регуляторных процессов, происходящих внутри клетки за счет взаимодействия между макромолекулами. Специфичность влияния на эти взаимодействия со стороны обеих вышеупомянутых групп лекарств, как правило, невелика. Низкомолекулярные соединения, достаточно свободно проходящие через мембрану, не всегда оказываются в нужной степени специфичными для данного взаимодействия. Кроме того, в отличие от инги-бирования ферментов, при котором происходит конкуренция с природными лигандами за связывание в активном центре, кармане белка, белок-белковые взаимодействия осуществляются на весьма больших площадях поверхности молекулы белка (1000—3000 А2), и взаимодействующие поверхности часто относительно плоские, без выраженных карманов, куда могло бы встроиться низкомолекулярное соединение [5, 6]. С другой стороны, активация или блокирование рецепторов на поверхности клетки, будучи даже высокоспецифичными сами по себе, приводят, как правило, к изменению регуляции не одного, а целой сети регуляторных процессов.
Между тем, большое количество заболеваний вызвано именно нарушением взаимодействий между внутриклеточными макромолекулами. Исследование возможности создания системы доставки макромолекул, способных пройти внутрь клетки и повлиять на патологическое взаимодействие (или на недостаток нормального взаимодействия) между регуляторными макромолекулами, представляет значимую пробле-
му с точки зрения лечения широкого круга заболеваний. Среди практических следствий осуществления такого подхода — возможность эффективно влиять на различные заболевания, вызванные нарушением регуляции в заданном типе клеток, в том числе при злокачественных новообразованиях, доставка цитотоксических агентов, опирающаяся на отличия измененных клеток как по их поверхностным, доступным для макромолекул рецепторам, так и на отличия во внутриклеточном транспорте или регуляции.
Лекарственные соединения, нуждающиеся в адресной доставке, представляют собой большой класс разнообразных функциональных молекул: нуклеиновые кислоты (ДНК, siRNA, miRNA, shRNA, антисенс-олигонуклеотиды), используемые для генотерапии, белки и небольшие пептиды, взаимодействующие с внутриклеточными мишенями, «малые молекулы» (фотосенсибилизаторы, низкомолекулярные ингибиторы различных внутриклеточных процессов), изотопы с малой длиной пробега испускаемых частиц и другие. Общей характеристикой данных абсолютно разных по строению и свойствам соединений является необходимость доставки внутрь клетки в тот или иной компартмент. Кроме того, для большинства из них пассивный транспорт в клетку недостаточно эффективен или же сопряжен с большой токсичностью для нецелевых клеток. Такого рода лекарственные соединения можно разделить на две группы [7]. Первая группа — молекулы, действие которых осуществляется в строго определенном компарт-менте клеток, и при этом сами по себе данные молекулы в него не проникают или проникают с низкой эффективностью (пример — генно-тера-певтические препараты). Вторая группа — лекарства, действие которых наиболее эффективно в определенном компартменте, например, фотосенсибилизаторы (ФС) и радионуклиды с короткой длиной пробега испускаемых частиц.
Для доставки генетической информации с целью терапии используют как вирусы, так и различные синте
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.